等离子体技术在大气污染防治中的应用

1等离子体概况

1.1等离子体及等离子体技术的基本概念

    等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统,整个体系呈电中性 ,具有与一般气体不同的性质 ,容易受磁场、 电场的影响,它为化学反应提供必须的能量粒子和活性物种,在化学工业、 材料工业、 电子工业、 机械工业、国防工业、 生物医学和环境保护等方面有着广泛的应用。它是物质存在的基本形态之一，与固态、液态、气态并列，成为物质第四态。

1.2等离子体产生的机理及方法

    当气体分子以一定的方式在外部激励源的电场被加速获能时 ,能量高于气体原子的电离电势时 ,电子与原子间的非弹性碰撞将导致电离而产生离子电子 ,当气体的电离率足够大时 ,中性粒子的物理性质开始退居次要地位。整个系统受带电粒子的支配 ,此时电离的气体即为等离子体。等离子体发生器有以下两大类共计八种产生方法。

    等离子包括放电等离子和化学等离子 ,放电等离子可分为有电极和无电极两类。有电极有电弧放电、 辉光放电、 电晕放电和无声放电。无电极有高频感应、 微波放电和激波放电。其中电弧放电、 辉光放电和高频放电分直流和交流两种。电弧直流放电有内极和外极之分。

1.3等离子体的分类及特点应用

按热力学状态不同和中性气体温度的高低 ,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，按温度可将等离子体划分为热力学平衡态等离子体和非热力学平衡态等离子体。当电子温度(Te)与离子温度(Ti)、中性粒子温度(Tg)相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡态等离子体(Equilibrium Plasma)。因为温度一般在5000K 以上，故而又称其为高温等离子体(Thermal Plasma)。当Te>>Ti时，称之为非平衡态等离子体(Non— thermal Equilibrium Plasma)。其电子温度高达10的四次方K 以上，而其离子和中性粒子的温度却低至300~500 K，因此，整个体系的表观温度还是很低的，故又称之为低温等离子体(Cold Plasma),而低温等离子体可分为热等离子体、 冷等离子体和燃烧等离子体。热等离子体为局域热力学平衡态等离子体 ,是由高强度直流电弧放电与高频感应耦合放电产生的 ,其特点是重粒子(原子、 分子、 离子)温度接近于电子温度;冷等离子体是非平衡等离子体 ,是由辉光放电、 微波放电、 电晕放电或无声放电产生的 ,其特点是电子温度远远高于重粒子温度;燃烧等离子体通过燃烧形成 ,其特点是电离度极低。根据高能电子的来源 , 等离子体又可分为电子束照射法和脉冲电晕等离子体法^[1]。

2 等离子体技术概况

2.1等离子体技术的基本概念

    等离子体的应用技术因其特点而异。高温等离子体技术是利用等离子体的物理特性。而低温等离子体技术则利用其中的高能电子(0～10 eV)参与形成的物理、化学反应过程，通过这些物理化学过程可以完成许多普通气体及高温等离子体难以解决的问题。由于废气中污染物的浓度不高，用低温等离子体处理废气能达到既节能又治理污染物的目的，故在大气污染的处理中，主要应用低温等离子体技术。等离子体技术用于污染治理的研究在20世纪80年代开始。目前对等离子体处理废气、废水以及固体废弃物的研究都已经取得了一定的进展，对其作用机理也有了一定的认识。但是目前的研究还都处于实验阶段，要实现大规模的工业化应用还有很长的路要走。从化学的角度来看，等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基，是极活泼的反应性物种。譬如，氢等离子体中富集了高活性的原子氢。同样地，氧气、水和有机物之类，也都可以形成各自的等离子体，产生相应的高活性物种。在对有害气体的治理中，通过放电产生的等离子体中的高能电子起决定作用，离子的热运动只起辅助作用。常压下，气体放电产生的低温等离子体中，电子温度远高于气体温度。这种特性对治理有害气体具有非常重要的能量价值。高能电子与气体分子(原子)发生非弹性碰撞将能量转化为基态分子的内能，发生激发、离解和电离等一系列过程，使气体处于活化状态。一方面打开气体分子键，生成一些单质原子或由单一气体原子组成的单原子分子和固体微粒；另一方面产生大量的活性基团和臭氧等强氧化性基团。由这些单原子分子、自由基和臭氧等组成的活性粒子所引起的化学反应，最终将废气中的有害物质变成无害物质^[2]。

2.2 低温等离子体技术

低温等离子体技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术。应用低温等离子体技术处理大气污染是目前国内外大气污染治理中最富有前景最行之有效的技术方法之一，该技术显著特点是对污染物兼具物理作用、化学作用和生物作用。其原理为：在外加电场的作用下，介质放电产生的等离子体中大量的活性电子、离子等轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，在内置催化剂的协同作用下， 引发了一系列复杂的物理、化学反应，打开污染物分子之间的分子键，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质（如二氧化碳和水），或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质， 并能有效地清除病毒和细菌， 从而使污染物得以降解去除。其净化作用机理包含两个方面：

1、在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能量能够打开某些有害气体分子的化学能，如：氨、三甲胺、硫化氢、甲硫氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯，硫化物H₂S、VOC类，苯、甲苯、二甲苯的分子链结构，使有机或无机高分子恶臭化合物分子链分解为单质原子或无害分子。

2、等离子体中包含大量的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和部分废气分子碰撞结合，在电场作用下，废气分子处于激发态，当废气分子获得的能量大于其分子键能的结合能时，废气分子的分子键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成得无害气体分子。同时产生的大量·-OH、·HO₂、·O等活性自由基和氧化性极强的O₃，能与有害气体分子发生化学反应，最后生成无害产物。物理作用表现在具有荷电集尘作用。等离子体中的大量电子与颗粒污染物发生非弹性碰撞并粘附其表面从而使其荷电，在电场作用下，颗粒污染物被集尘极收集。生物作用表现在具有消毒杀菌之功效。机理为：等离子体中的正负粒子使微生物表面产生的电能剪切力大于其细胞膜表面张力，致使细胞膜遭到破坏而导致微生物死亡^[2]。

2.3 低温等离子体催化技术 （协同催化）

低温等离子体催化技术就是指低温等离子体的多相催化技术．也就是在低温等离子体放电电极表面、反应器内表面、或者在放电空间置入缺电子的异相介质．利用它对低温等离子体化学反应产生的催化作用．来提高处理效率。在催化反应中主要包括：反应物分子在催化剂表面的吸附、吸附分子表面的化学反应和反应产物的脱附过程在放电状态下．低温等离子体空间富集了大量极活泼的高活性物种，如离子、高能电子、激发态的原子、分子和自由基等。这些高活性物种在普通的热化学反应中不易得到．但在低温等离子体中可源源不断地产生 有机物分子在等离子体中降解主要有以下3个途径：①电子碰撞电离；② 自由基碰撞电离：③ 离子碰撞电离。低温等离子体中的这些活性粒子的平均能量高于有机物分子的键能．它们和有机物分子发生频繁的碰撞．打开气体分子的化学键。与有机物分子发生化学反应．同时由低温等离子体放电产生的紫外光也能够促进有机物分子的降解 当催化剂置入等离子体场中时，电子能量、电子密度及功率等物理参数受到催化剂的影响。粒子f电子、受激原子和离子轰击催化剂表面．催化剂颗粒被极化．并形成二次电子发射，就会在表面形成场强加强区。另外．由于催化剂对有机物有一定的吸附能力，在表面形成有机物的富集区．这样就会在低温等离子体和催化作用下迅速发生各种化学反应．从而将有机物脱除 并且低温等离子体中的活性物种，特别是高能电子含有巨大的能量．可以引发位于等离子体附近的催化剂，并可降低反应的活化能。同时．催化剂还可选择性地与低温等离子体产生的副产物反应．得到无污染的物质(如二氧化碳和水）。因此，低温等离子体与催化剂协同作用时．较直接催化剂法或单纯低温等离子体法具有更高的脱除效率．能更有效地减少副产物的产生，提高反应的选择性．并由于吸附作用能进一步降低反应能耗，用该项技术处理大气污染具有以下特点：

①能耗低。可在室温下与催化剂反应，无需加热，极大地节约了能源，从而使成本大为降低

无需外加原料，运行费用低；②不产生副产物。催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物，能实现无害资源化处理，无二次污染；③设备使用便利， 运行可靠。集散控制，维护简便；④尤其适于处理有气味及大风量的气体。

该技术广泛适用于以下行业：石油 化工、化纤、医药、烟草、橡胶、食品、制革、喷漆 彩印、印铁、溶剂清洗、制鞋、涂胶、半导体工业、 垃圾场、家畜圈、牧场、粪肥处理厂和水处理厂 等行业的废气中含有 NH ₃ 、 H ₂ S 、 CS ₂ 、硫醇、硫醚、苯乙烯二甲二硫、三甲胺等有毒、恶臭气体； 涉及含碳燃料、卷烟的燃烧，会向大气中排放碳氧化物(CO ₂ ，CO)的行业，如炼焦、炼钢、炼铁等工业生产行业；医院、 宾馆、写字楼、公共场所、居家的空气消毒、净化；金属加工、 饮食业油烟净化方面^[3]。

3等离子体技术在大气污染防治中的具体应用

大气中的主要污染物有：总悬浮颗粒、飘尘、硫氧化物、氮氧化物、硫化氢、氨、碳氧化物和挥发性有机物(VOCs)等。它们分别来自于生活污染源、工业污染源和交通污染源。由于对气体中污染物的治理主要是在常压下进行的，所以一般采用在常压下产生低温等离子体的电晕放电和介质阻挡放电两种形式，脉冲电晕放电系统原理如图3-1所示。电源输出的直流高压首先向储能电容C 充电，旋转火花隙G 导通后，C 通过硅堆D和电感L向C 充电，待到G 导通后，C 形成高压脉冲注入反应器Re。^[1]

 脉冲电晕放电系统原理图 图3-1

    其中C₁为储能电容，D为硅堆，L为电感，G₁,G₂为火花隙开关，C_p为脉冲成型电容，R_e为反应器。反应器Re一般有线一板式和线一筒式两种结构。反应器的基本结构如图3-2所示^[1]：

反应器的基本结构 图3-2

3.1总悬浮颗粒、飘尘的净化

   总悬浮颗粒物是指粒径在100 微米以下的颗粒物，简称TSP。粒径在10 微米以下的浮游状颗粒物，称为飘尘。工业废气中悬浮颗粒和飘尘以气态和气溶胶态长期悬浮在空气中，对大气环境造成了严重的污染，其中粒径在0．1～5 微米 的颗粒对人体危害最大 。从工业废气中将颗粒物质分离出来并加以捕集、回收的过程称为除尘，实现除尘过程的设备称为除尘器或除尘装置。目前应用较多的除尘装置主要有机械式除尘器、湿式除尘器、电除尘器和过滤式除尘器等。它们或因除尘效率低，或因有二次污染，或因工艺复杂，或因运行费用高等原因而不能满足日益加剧的大气污染的处理。等离子体技术作为一种高效、新型的除尘技术，实现了除尘脱硫脱硝一体化。其除尘原理是：通过电晕放电产生的低温等离子体，其中的电子和离子在梯度场的作用下和废气中的颗粒物相互碰撞并附着在这些粒子上，使之成为荷电粒子，在电场力作用下向收尘极(又称集尘极)运动并在收尘极上沉积，从而达到除尘的目的。静电除尘中的电场是不均匀的，不均匀是电场引起的放电。等离子体在针状或者丝状点击上加上高压后发生的电晕是，高压将周围气体电离形成的，虽然看起来现象差不多，但是形成的机制是不同的 。

3.2脱硫、脱硝技术

在工业废气中，对环境影响最为严重的污染物是硫氧化物和氮氧化物。硫氧化物主要由燃煤及燃油等含硫物质燃烧产生，其主要成分是二氧化硫。氮氧化物有一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮等，其中占主要成分的是一氧化氮和二氧化氮，以NOx(氮氧化物)表示。NOx污染主要来源于生产、生活中所用的煤、石油等燃料燃烧的产物(包括汽车及一切内燃机燃烧排放的NOx)；其次是来自生产或使用硝酸的工厂排放的尾气。目前达到实用水平的脱硫、脱硝技术是湿法脱硫、脱硝和触媒还原法，但存在二次污染、设备腐蚀、工艺复杂、投资大、运行费用高和副产物处理困难等缺点。电子束辐射烟气脱硫、脱硝技术处理效果好，处理规模可达150000 m3／h ，但因加速器造价昂贵，电子枪寿命短等原因，至今未推广使用。利用高压高频脉冲放电产生等离子体进行烟气脱硫、脱硝，是2O世纪8O年代后期由日本首先提出的。该技术利用高压脉冲电源产生的高能电子，激活燃煤烟气中的二氧化硫和氮氧化物，同时加入氨作为反应剂， 生成硫酸铵和硝酸铵肥料 。与传统的化学方法相比，该技术具有成本较低、无二次污染，可同时脱硫、脱硝，形成的副产品可回收利用等优点，并且可以与静电除尘器等结合，有较好的应用前景。在欧共体重点资助下，意大利在热电厂已经进行了工业中间试验，注入氨气作为调制剂，取得脱除60%-70%NOx和80%二氧化硫。的结果。之后，美国、韩国、加拿大、俄罗斯等国都对该项技术进行了大量的研究工作。我国在这方面的研究工作开展得相对迟一些，但是也做了大量的有价值的研究。鞍山静电技术设计院应用超高压脉冲电晕放电，在定向反应条件下控制，使模拟工业(常压，180℃)中的3种有害气体(二氧化硫，二氧化氮，二氧化碳)分解率超过80%收尘效率高达99% ，肯定了这种技术治理工业烟气的可行性。试验装置采用的工艺流程见图3-3，由烟气预处理系统、电源和反应器系统、氨投加装置、副产物收集装置、测控系统5个主要部分组成。处理用烟气分别取自电厂水膜除尘器前和水膜除尘器后。烟气经冷却塔降温增湿后，送至反应器，喷入氨气。高压电源对反应器放电产生脉冲电晕，经处理的烟气被输送至副产物收集器，回收烟气中的硫酸铵和硝酸铵。处理后的烟气经排风机从烟囱排人大气^[4-7]。

                                                  工艺流程图  3-3

                                       低温等离子体处理废气工艺流程图 3-4

3.3硫化氢，二硫化碳，氨气等恶臭气体的处理

自然界中，大约有300种可以发出异臭、异味的物质。硫化氢、二硫化碳 和氨气。是最常见的异臭、异味气体。通常能够产生硫化氢、二硫化碳 和氨气的污染源有：垃圾场、家畜圈、牧场、粪肥处理厂和水处理厂等。传统的恶臭净化方法有稀释法、燃烧法、洗涤法、吸附法和催化转化法等，这些方法都具有净化不够彻底、净化气体种类少、能耗高、操作要求高、易受杂质干扰等缺点。低温等离子体技术处理恶臭气体是近年来兴起的新的处理低浓度气态污染物的方法。等离子体去除恶臭的原理主要有两个：其一是利用高能电子的瞬时高能量来打开有害气体分子的化学键，使之直接分解成单质原子或无害分子；其二是在大量高能电子、离子、激发态粒子和自由基等活性粒子的作用下氧化分解。一般来说，主要有三个过程：(1)在高能电子的作用下，产生强氧化性自由基如O、OH、HO₂等；(2)有机物分子与高能电子发生非弹性碰撞，获取能量而进入激发态，进而化学键断裂，分解成小碎片基团和原子；(3)第一步产生的强氧化性自由基O、OH、HO₂等与激发原子、有机物分子、破碎基团、其它自由基等发生一系列反应，使有机物分子最终被氧化降解为简单的CO、CO₂、H₂O。这一步的去除率高低与电子的能量高低及有机物分子化学键能的大小有关。

    目前我国上海第一化学纤维厂排放的含硫恶臭废气具有高流速、大流量和低浓度的特点。该厂处理的中试装置主体由10根长度为300 mm 介质阻挡放电管组成，其在常压下能产生低温等离子体，有效地去除了H₂S，CS₂ ，目前已成功地运行了1 000 h以上，用事实说明了该方法的实用性和可靠性^[8]。

3.4碳氧化物的转化

大气中的碳氧化物(CO₂，CO)主要来源于含碳燃料、卷烟的燃烧，其次来源于炼焦、炼钢、炼铁等工业生产过程。一氧化碳对人体有强烈的毒害作用，二氧化碳虽然对人体没有毒害，但过度地排放二氧化碳将导致温室效应。目前国内外对碳氧化物的处理基本上没有行之有效的方法，只是从污染源的角度来考虑，控制减少碳氧化物的排放。低温等离子体中的 O 对CO具有清除作用，将CO氧化为CO ₂ ，再将CO ₂ 转化为CO ₂ 、醇、烃、醚、醛、碳酸二甲酯、甲酸及其衍生物等^[9]。

3.5挥发性有机物(VOCs)的处理

挥发性有机物(VOCs)是一类有机化合物的统称，指室温下饱和蒸汽压超过7O．91 Pa或沸点小于260℃的有机物 。大气中的VOCs主要有苯系物、有机氯化物、氟利昂、有机醛、有机酮等。利用低温等离子体处理VOCs，就是使低温等离子体中的高能电子与VOCs分子产生一系列化学反应，从而将VOCs转化或降解为无害物质的方法。低温等离子体处理VOC 主要有电子束照射法、介质阻挡放电法、沿面放电法和电晕放电法等^[10]。

(1)电子束放电法：电子束照射法是通过电子加速器(电子枪)产生高速高能的电子束，通过电离、激发等一系列自由基的反应，将有机物去除。电子束放电法能有效降解VOCs。，其处理效率与污染物的初始浓度、有机物分子组成结构、水蒸气含量和湿度等有关。

(2)介质阻挡放电法：介质阻挡放电是将绝缘介质插入反应器的放电空间中，是一种高气压下的非平衡放电过程。常用的绝缘介质有陶瓷、玻璃和石英等。介质阻挡放电法是目前最有效的产生等离子体的方法。其处理效率与温度、气压、水蒸气浓度、填充物和背景气体的性质等因素有关。介质放电反应器可在常压或高压下工作。

(3)面放电法：沿面放电反应器的主体为结构致密的陶瓷(陶瓷管或陶瓷板)，在陶瓷内部埋有金属板作为接地极，陶瓷一侧的沿面上布置导电条作为高压电极，另一侧作为反应器的散热面；在中高频电压的作用下，放电从放电极沿陶瓷沿面延伸，在陶瓷沿面形成许多细微的流注通道，进行放电，使气体被去除 J。此法对于甲苯、丙酮、氯氟烃等有机废气具有良好的处理效果，适用于三氯甲烷等难降解有机物的处理工艺。但该技术的电源频率较高，达到千赫级，所以其能量效率并不高。

(4)电晕放电法：电晕放电是通过在曲率半径很小的电极上施加高电压，发生非均匀放电的一种放电形式。该法能在常温常压下进行，具有功率和能耗低的优点。电晕放电法多用于烟道气的脱硫和脱硝，去除空气中的VOCs 、硫化氢和卤代烃等，包括脉冲电晕放电、直流电晕放电和交流电晕放电。

3.6室内空气的净化

加拿大环卫组织研究发现：人类68%的疾病是由于室内空气污染造成的。室内空气污染的数量多、成分复杂、按照室内污染物性质可归纳为三类：有机挥发性有害气体VOC_S，细菌、真菌、病毒污染物和颗粒污染物。由于室内空气污染与大气空气污染所处的环境不同，其污染特点也不同，室内空气污染具有如下特点：第一，影响范围广。涉及人群数量大，影响范围包括：居室环境、办公环境、交通工具环境、休闲场所等，而涉及人群几乎包括整个年龄组。第二，接触时间长。人一生在室内度过的时间占80－90%,即使室内有浓度很低的污染物，在长期作用于人体后，也会影响人体健康。第三，污染物种类多。室内空气中的污染物既有化学性污染物如甲醛、氨水、苯、甲苯、一氧化碳等；生物性污染物，如细菌、真菌等；还有物理性污染，如烟气、尘埃等颗粒污染物。第四，污染物浓度高。由于室内是个较封闭的环境，在没有或少量通风时，污染物不能排放到室外，大量污染物在室内囤积。严重时，室内污染物浓度可超过室外几十倍，甚至高达上百倍。第五，污染物排放周期长。一些污染物能不断地从装修材料中释放出来，排放周期长。有研究表明室内甲醛的释放可达十几年之久，而对于放射物质导致的污染，其危害时间则更长。因为室内空气污染累积性、长期性、多样性以及如上的一些特点，治理室内空气污染的方法也是多种多样，总的来说，传统的室内空气污染净化方法，如物理吸附、过滤，化学等方法，已无法满足室内污染治理过程中同时处理微细颗粒（物理污染）、处理毒害气体(NO_X 、SO_X、VOC_S等化学污染)、杀菌（生物污染）等多方面要求。而在低温等离子体净化空气的机理中，同时涉及的效应包括：

⑴化学效应 —— 等离子体中包含的大量高能且活性极强的自由基跟有害气体分子发生化学反应或打开有害气体的化学键生成无害产物。

⑵生物效应 —— 静电作用在细菌、病毒等微生物表面形成剪切力，能够破坏微生物细胞膜，从而起着灭菌的作用，此外负离子增加人体对氧的吸收，使空气更清新，同时能够调节离子平衡。

⑶物理效应 —— 大量电子、正负离子与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，使之成为荷电离子，在电场力的作用下，被集尘极收集。

   因此低温等离子体净化技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术，其显著特点是对室内污染物兼具物理作用、化学作用和生物作用，具有费用低、净化效率高等明显优点，由此人们开发了低温等离子体空气净化器,低温等离子体中央空调空气净化装置等空气净化装置,以满足人们对室内环境洁净的要求。

⑴　低温等离子体空气净化器

   针对人民对居室、办公、娱乐场所、交通工具等室内环境的关注程度日益增加，各种净化措施和设备也竞相出现，在环境治理中充当着重要的角色。但总的来说，这些设备都是针对环境污染治理的某一方面，要么是净化室内有害气体，要么是沉降室内较大颗粒物，要么只是清新空气，这从根本上并未解决室内环境污染多元化，综合化问题。而考虑到低温等离子体净化空气的方法与传统的单一净化方法相比，它综合了净化有害气体，去除颗粒污染和调节离子平衡的作用，根据低温等离子体净化空气的原理可开发并适合于室内使用的独立空气净化器，将满足人们对室内环境洁净的要求。

⑵　低温等离子体中央空调空气净化装置

目前各种楼宇都采取封闭型，利用中央空调系统调节温湿度和洁净度，由于整个系统又只有10%的新风补充，加之室内电器设备、装饰材料及人员活动产生的有毒有害气体、飘尘及细菌等污染物质，使得室内空气质量日趋下降，不少人们便出现眼睛、咽喉刺激、鼻塞、头痛、头晕、胸闷、嗜睡等症状，上海某环保公司将低温等离子体与中央空调空组合配套使用，开发了低温等离子体中央空调空气净化装置，能够利用低温等离子体净化空气的作用解决中央空调系统新风补充不足而导致室内空气品质低下的问题，应用前景非常广。

⑶　低温等离子体净化技术在烟气排放治理中的应用

低温等离子体净化技术可应用于烟气排放的治理中，如柴油机（车）排烟的净化治理等。柴油机（车）排放的污染物主要包括：碳烟C、一氧化碳CO、氮氧化物NO_X和碳氢化合物HC。通过等离子体荷电后的烟气颗粒物在电场的定向作用下，能被收集到收尘极板上。净化效率可达80%以上^[12-15]。

3.7汽车尾气净化

车尾气污染是一个全球性问题，加之现代汽车工业发展迅速，人民生活水品提高，汽车总量已经上升到达一定的高度，而且由于汽车相对集中在城市 ,单车排放因子高 ,故汽车排放的黑烟(颗粒物) 、 NO_X、 CO和 HC等已成为城市地区的主要大气污染物。等离子体技术用于汽车尾气污染治理主要有两种方式 ,即机内净化和机外净。

    前者的原理是将空气离子化 ,即将空气送入内燃机之前 ,利用低温等离子体臭氧发生器将空气中的氧转化为臭氧 ,然后进入燃烧室便分解为负氧离子 ,使火焰膨胀 ,促进燃烧 ,从而提高了反应速率。

机外净化技术要有电晕放电、 介电位垒放电、 沿面放电等几种形式 ,利用等离子体体系中的活性物种强化(催化)氧化 — 还原反应 ,将汽车尾气中的有害物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质以达到降低环境污染的目的。其中介电位垒放电可在低温条件下实现 HC、 CO、 NO_X和 SO₂ 的氧化 ,可捕集颗粒物 ,是处理汽车尾气的一项新颖技术 ^[18]。

4 等离子体处理与常规处理之间的比较

治理空气污染的方法是多种多样的，根据不同作用原理，其治理方法有：物理吸附法、化学法、光催化分解法、离子化法、湿式除气法、低温等离子体处理法等。各种空气净化法各有优缺点，下文将通过比较说明：

4.1常规处理方法优缺点

物理吸附法原理为气体与固体吸附剂依靠范德华力的吸引作用而被吸附住。主要用于去除空气中的飘尘、氨气、二氧化碳、硫化氢和挥发性有机化合物等。但这些材料对去除二氧化碳、一氧化碳的效果不大，除臭也比较困难，并且吸附容易达到饱和，已经吸附的有害气体，在一定条件下又会重新释放出来，再者由于吸附剂在使用一段时期以后便失去活性，必须要定期清洗或更换，所以运行费用较高，不适合大规模的应用。

湿式除气法其原理是当含灰气流冲击到挡板上时，气流中沉降力大的尘粒被分离出来。虽然净化效果较前者有了提高，但工艺流程复杂，且影响因素过多不易控制。

化学法可分为三种：（1）中和法、（2）氧化法、（3）催化法。原理基本是利用相对应的化学反应，优缺点很明显，如（1）中和法优点是吸附牢固、反应不可逆，缺点是消耗试剂较多，使用寿命较短。（2）氧化法优点是效率高，反应不可逆。缺点是消耗试剂较多，过剩的氧化剂容易造成二次污染。（3）催化法缺点是空气中不允许有使催化剂本身发生反应的物质，并且催化剂的价格也比较贵，不适合在大规模生产中应用。

光催化法是在光的催化下将吸收的光能直接转变为化学能，使许多通常情况下难以实现的反应在常温、常压的条件下能够顺利进行。利用紫外光源，将TiO2光催化剂对室内的有害气体及异味气体等通过光催化反应彻底分解为无臭、无害的产物，同时可杀灭空气中的细菌、病毒。与其他净化技术结合，光催化是一种具有应用前途的室内空气净化技术^[11]。

4.2等离子体处理法优缺点

低温等离子体处理法具有能耗低，可在室温下与催化剂反应，无需加热，极大地节约了能源，从而使成本大为降低 无需外加原料，运行费用低； 不产生副产物，催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物，能实现无害资源化处理，无二次污染；设备使用便利， 运行可靠的特点，但是鉴于目前技术方面的不成熟，尚不能实现大规模的实际应用，很多方面尚处在研究实验当中，比如在作用机理方面，由于低温等离子体是由多种粒子组成的复杂体系，其内部及等离子体与固体表面存在多种物理化学过程，而且易于受各种外场与自生场(电场、磁场、电磁场、光场)的影响，受加工工艺有关的因素影响多，参数范围大，过程复杂，因而大多数过程还不够清楚，现有的研究大多数处于定性水平上；技术上，目前还处于实验摸索阶段，没有比较成熟的工艺技术。大量的研究表明，影响该技术产业化的主要问题是集中在这3方面^[14]：

1.大功率、窄脉冲、长寿命的高压脉冲电源尚在研究之中

等离子体法对电源的要求很高，好的电源不仅能够提供一个很好的电场强度，对净化效率的提高起着决定性的作用，而且能够保证工作环境的安全，稳定。而输入电源的性能对离子发生器的净化效率的具体影响还没得到很好的解答，如何提高电源的能量利用效率及电源与反应器间的匹配问题等，也亟待解决，否则也不能体现其能耗较低的优势。

2.副产物收集中的粘结问题也没有得到有效解决

   低空臭氧是其主要的副产物，且是一种很强的氧化剂, 能够与几乎所有的生物物质产生反应，浓度很低时就能损坏橡胶、油漆、织物等材料；臭氧对植物的影响很大。浓度很低时就能减缓植物生长，高浓度时杀死叶片组织, 致使整个叶片枯死, 最终引起植物死亡，比如高速公路沿线的树木死亡就被分析与臭氧有关；臭氧对于动物和人类有多种伤害作用, 特别是伤害眼睛和呼吸系统，加重哮喘类过敏症。在离子发生器中，臭氧一般是伴随着等离子体发生器放电过程中产生的，臭氧的浓度随电场强度的增加而增加，这是因为随电场强度的提高，电晕放电强度也增加，产生的高能电子也大大增加，而使得电子与氧发生的非弹性碰撞的几率也大大增加，这就导致了反应器中氧等离子体的浓度的增加。臭氧对人的健康造成一定的影响，此问题也待需解决。

3.尚未建立完善的等离子体净化污染物的物理生物化学动力学模型

考虑到目前，低温等离子体发生器还没如同臭氧发生器一样走进实用性行列，主要原因是它的净化机理还有待具体化、深度化，必须对其机理进行深入研究，探讨离子发生器净化空气的效率的影响因素，因而要确保等离子体技术在环保行业的发展，当务之急就是要建立一个完善的等离子体净化气体的物理化学动力模型。

目前，国内外的研究都集中在这3方面。在大功率脉冲电源技术突破后，该技术必将会得到工业化应用，在大气污染治理中发挥非常重要的作用。

4.3比较结果

总的看来，传统技术普遍具有效率低、二次污染、腐蚀设备、工艺复杂、投资大、运行费用高等缺点，在大规模推广的过程中很难得到大量实际的应用，而等离子体技术在作用过程中兼具物理作用、化学作用和生物作用，具有费用低、净化效率高，且无二次污染等明显优点，而且其应用范围极其广泛，虽然在目前技术上还不是非常成熟，但是这并不妨碍其成为目前治理气态污染物的关键技术。